哈佛大学Nature：可编程智能超流体！

一、【科学背景】

对功能增强材料的追求导致了超材料的出现。超材料是一种人工设计的材料，其性能由其结构而非成分决定。超材料可以实现自然界中不存在的物理现象，如负折射率、完美透镜和隐身斗篷等。传统上，超材料的构件是在晶格结构中按固定位置排列的，即大部分超材料均为固体。与固体超材料不同，超流体具有独特的流动能力，能够适应其容器的形状，而无需对其组成元素进行精确排列。这种材料的设计理念是通过在流体中混合特定的结构单元（如高度可变形的球形胶囊）来实现新的物理特性和功能。

二、【创新成果】

受这些最新进展的启发，哈佛大学Katia Bertoldi教授、Benjamin Gorissen教授等人在Nature发表了题为“Shell buckling for programmable metafluids”的论文。研究表明，通过将高度可变形的球形胶囊混合到不可压缩的流体中，实现具有可编程的压缩性、光学行为和粘度的“超流体”。首先，研究人员通过实验和数值计算证明，壳体的屈曲使流体具有高度非线性行为。随后研究人员利用这种行为开发了智能机器人系统、高度可调的逻辑门和具有可切换特性的光学元件，最后证明了屈曲时壳体的坍塌导致层流状态下悬浮液粘度的大幅增加。因此，所提出的超流体提供了一个很有前途的平台，用于通过扩展流体本身的能力来增强现有流体设备的功能。这种新型超流体的多功能性为制备智能材料和微纳米器件提供了新思路。

图1  包含高度可变形胶囊的超流体 © 2024 Springer Nature

首先，研究人员设计了高度可变形的球形胶囊，这些胶囊硅橡胶制成，并使用3D打印模具进行制备。胶囊内部充满空气，以便在外部压力作用下发生屈曲。为了系统地探索胶囊对超流体响应的影响，研究人员进行了有限元分析。

图2  超流体建模 © 2024 Springer Nature

基于对胶囊屈曲行为的理解，研究人员开发了几种应用，包括智能抓取器、可调逻辑门和可切换光学特性的元件，这些应用展示了元流体在不同压力下的多功能性。

图3  对超流体进行功能编程 © 2024 Springer Nature

图4  利用非线性实现可调流变学 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

研究人员成功展示了通过利用弹性壳体可逆的屈曲变形来创造一种新型超流体。这种超流体不仅具有可编程的压缩性、可变的光学特性和可调整的粘度，而且它的多功能性为其在多种应用中提供了巨大的潜力。例如，可适应的抓手和可重构的逻辑门的开发已经证明了其实用价值。进一步地，研究人员预期这种超流体的可编程特性将对其声学和热力学特性产生深远影响，进而提升热力循环效率和定制化声波传播。这些进展得益于能够识别并产生预期反应的壳体混合物的反向设计平台。例如，能够实现复杂非线性行为的反向设计超流体，能够通过简单地更换流体来改变软致动器的功能，无需为每个新任务重新设计致动器。此外，这种超流体还为开发智能液压减震器铺平了道路，这种减震器可以根据冲击的具体情况调整其能量耗散。最后，尽管本研究主要关注缓慢的加载过程，超流体在动态压力下可能引发的空间雪崩式断裂事件和波传播现象，也展现了其在未来研究中的潜在兴趣点。

原文详情：Shell buckling for programmable metafluids (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07163-z)

本文由赛恩斯供稿。